基于GPS的运输类飞机全空速范围校准方法研究

宋攀 杨文凤 秋路

摘 要：准确的空速是保证飞行安全的基本条件，因此适航标准要求飞机进行全空速范围校准。为了解决某些飞机因安装问题而不能采用拖锥法进行空速校准的难题，文章研究了基于GPS的运输类飞机全空速范围校准方法，建立了相应的数据处理方法，分析了可能的误差来源，提出了减小误差的措施，且通过相关算例验证了该方法的可行性。

关键词：空速校准；GPS；运输类飞机；全空速范围

中图分类号：V221 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0022-03

Abstract： Accurate airspeed is the basic condition to ensure flight safety， so the airworthiness standard requires the aircraft to calibrate the full airspeed range. In order to solve the problem that some aircraft can not use towing cone method to calibrate airspeed due to installation problem， this paper studies the calibration method of full airspeed range of transport aircraft based on GPS， and establishes the corresponding data processing method. The possible error sources are analyzed， the measures to reduce the errors are put forward， and the feasibility of the method is verified by an example.

Keywords： airspeed calibration； GPS； transport aircraft； full airspeed range

引言

目前飞机上使用的空速是由总压、静压计算而来的，故压力测量误差会对其产生一定的影响，而准确的空速是保证飞行安全的基本条件。民机通常开展全空速范围校准，以满足适航标准要求，而军机一般仅获取使用包线内的空速系统位置误差。随着军机适航、军民融合理念的提出，一些军用运输机也开始按照民机适航标准开展空速系统校准。然而，某些军用运输机在设计制造时并未充分考虑空速校准试飞需求，导致无法安装拖锥，因此不能采用适航推荐的拖锥法进行空速校准。军机常用GPS方法实现使用包线内的空速校准，其优势在于设备简单，同时，GPS的速度测量及高度测量功能使其具备全空速范围校准的能力，本文将对此展开研究。

在剖析适航标准要求的基础上，本文深入研究了基于GPS的运输类飞机全空速范围校准试飞方法及数据处理方法，并通过具体算例验证了该方法的优势及可行性。

1 适航标准要求[1]

運输类飞机适航标准CCAR25 R4第1323条（空速指示系统）表明，空速指示系统必须加以校准，以确定飞行时和地面起飞加速滑跑过程中的系统误差（即指示空速和校准空速的关系），具体要求如下所述。

1.1 地面段

进行地面滑跑校准时，必须按照下列条件：

（1）对于批准的高度和重量范围，速度从0.8V1的最小值至V2的最大值。

（2）襟翼位置和发动机功率（推力）的调定按第25.111条制定起飞航迹时所确定的值，但假设临界发动机在V1最小值时失效。

1.2 空中小速度段

从1.23VSR到失速警告开始的速度，指示空速随校准空速必须明显地变化并且趋势相同，并且在低于失速警告速度的速度下指示空速不得以不正确的趋势发生变化。

1.3 空中正常速度段

在下列状态的整个速度范围内，空速的安装误差（不包括空速指示仪表校准误差）不得超过3%或5节，两者中取大值：

（1）从VMO至1.23VSR1，襟翼在收上位置。

（2）从1.23VSRO至VFE，襟翼在着陆位置。

1.4 空中大速度段

从VMO到VMO+2/3（VDF-VMO），指示空速随校准空速必须明显地变化并且趋势相同，并且在直到VDF的较高速度下指示空速不得以不正确的趋势发生变化。

2 基于GPS的全空速范围校准方法

目前飞机上都装有GPS设备，其测速精度高且不受飞机姿态及高度的限制，是实现全空速范围校准的理想设备，基本原理见图1。

基于GPS速度测量实现空速校准的基本原理是通过GPS测得的地速解算飞机的真空速，从而获取真实的动压与静压，称为GPS速度法，适用于稳态校准。

基于GPS高度测量实现空速校准的基本原理是通过GPS测量试验点与基准点的几何高度差，进而得到气压高度差，从而获取试验点的真实气压高度与真实静压，称为GPS高度差法，适用于非稳态校准。

在全空速范围校准中，各速度段的特点决定了试飞方法的不同。空中正常速度段校准可通过稳态飞行实现，采用GPS速度法，地面段、空中小速度段及空中大速度段校准为非稳态飞行，采用GPS高度差法。

本文从基本原理、试飞方法、数据处理方法及误差分析等方面对以上两种方法展开研究。

2.1 GPS速度法

飞机在稳定大气中飞行时，假设动作区内的风场、风速为常量，以一定方式、一定空速进行一定时间的稳定直线平飞，便可由GPS地速解算出真空速，从而实现空速校准，即GPS速度法，包含GPS正反航向法、GPS三边法、GPS垂直三边法等，前者利用往返飞行的方法消除风速的影响，试飞及数据处理均较便捷，后两者为飞机以给定的空速沿任意三角形的三边或三个垂直边飞行，能够同时解算风速及真空速，但试飞动作多，数据处理的工作量较大。这三种方法均适用于空中正常速度段的空速校准，第一种更常用。

因篇幅所限，本文仅提供GPS正反航向法的数据处理流程，见图2，其中：

VT=（Vg1+Vg2）/2 （1）

式中，VT为正反航向飞行时的真空速，Vg1、Vg2分别为正航向、反航向飞行时GPS测量的地速。

2.2 GPS高度差法

综合考虑飞机能力、飞行试验设计原则，地面段校准采用加速滑跑的方式，通常结合起飞性能试飞或加速停止距离试飞；空中小速度段校准一般采取持续减速至失速的方法，通常结合失速速度试飞；空中大速度段校准采用俯冲的方式，通常结合高速特性试飞或颤振试飞。在这些非稳态过程中，通过GPS高度测量获取试验点与基准点之间的几何高度差，计算出对应的气压高度差，结合已有的基准点真实气压高度，便能得到试验点的真实气压高度，最终实现空速校准。其中，小速度段和大速度段的基准点可在经过GPS速度法校准的正常速度段内选取，地面段的基准点则选择起飞前的静止点。

GPS高度差法的数据处理流程见图3，其关键在于几何高度差△Hgeo向气压高度差△HP的转换。当高度增量相对较小时，假设大气压力随高度的变化是线性的，可推导出如下转换公式：

（2）

其中，Tstd为试验点的标准温度，Ts为试验点的实际温度，HGPS、HGPS，R分别为试验点、基准点的GPS高度。

2.3 误差分析

从基本假设、试飞动作、基准点真实值三方面分析，基于GPS的空速校准误差来源为：

（1）GPS速度法的基本假设为风场稳定、风速为常量，实际大气并非如此。

（2）采用GPS正反航向法试飞时，真空速、风速、地速并非严格同线，存在侧风的影响。

（3）采用GPS高度差法进行空中小速度段、大速度段的空速校准时，基准点真实值一般直接由正常空速段校准结果的拟合公式计算而来，可能存在误差。

针对上述误差来源，采取以下措施：

（1）通过持续的气象监测及机上观察，确保动作段气流稳定，如采用GPS正反航向法，则在完成每一速度点的正航向试飞后应立即进入该速度的反航向试飞，如采用GPS三边法，则连续完成同一速度的三边飞行，每一边保持1～2min，以提升试飞数据质量。

（2）GPS正反航向法试飞时，为消除可能存在的侧风影响，在事后数据处理中，按照式（3）求解，示意见图4。

（3）

其中，？鬃TK1、？鬃TK2分别为正航向、反航向飞行时的航迹角，？鬃K1、？鬃K2分别为正航向、反航向飞行时的航向角。

风场稳定的假设成立时，进行GPS正反航跡试飞亦可获取真空速，通过计算亦可消除侧风的影响，按照式（4）求解，示意见图5。

（4）

其中，？鬃TK1、？鬃TK2分别为正航迹、反航迹飞行时的航迹角，？鬃K1、？鬃K2分别为正航迹、反航迹飞行时的航向角，分析可知？啄1=？啄2。

（3）小速度段、大速度段空速校准时，首先在基准速度处进行GPS正反航向试飞或正反航迹试飞，即可得到该点的真实值。

3 方法验证

中国飞行试验研究院曾以某涡桨支线运输机为平台，研究了基于GPS的空速校准方法，证明了GPS正反航向法、GPS三边法与GPS垂直三边法的一致性，见图6。

（HP=3000m，Flap=0°，Gear UP）

新支线客机ARJ在空速校准研发试飞时同时采用了GPS方法与拖锥法，结论如下：

（1）考虑侧风修正的GPS正反航向法与拖锥法基本一致，见图7，修正侧风后，GPS校准结果与拖锥法结果的误差在速度约为520km/h时最大，约为3km/h，而按照适航标准要求，该速度点允许的最大空速误差约为15km/h，故3km/h的方法误差相对较小。

（2）GPS高度差法与拖锥法的结果基本一致，见图8。

4 结束语

综合本文分析与论证，基于GPS的空速校准方法优势显著，不仅设备简单、试验环节少、易于操作、省时省力，且能实现全空速范围覆盖、效率高、误差可控可接受，适用于多种机型。

为了进一步保证GPS方法的精准度，除了改进试飞方法与数据处理方法、采用差分GPS系统以外，还可借助惯导、雷达等设备获取风场数据，与考虑侧风影响的GPS速度法解算的风速风向进行对比，实现多角度验证。

参考文献：

[1]CCAR-25-R4.运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局，2011.

[2]Edward A. Haering， Jr. Airdata Measurement and Calibration. NASA Technical Memorandum 104316，1995.

[3]拉尔夫·D.金伯林（美）.固定翼飞机的飞行试验[M].张炜，等译.航空工业出版社，2012.

[4]Walt Blake， the Performance Training Group， etc. JET TRANSPORT PERFORMANCE METHODS. 2009.